典型齿轮变速机构

第四节典型齿轮变速机构传动分析

由于单排行星齿轮机构不能满足汽车行驶中变速变矩的需要。为了增加传动比的数目，可以通过增加行星齿轮机构来实现。在自动变速器中，两排或多排行星齿轮机构组合在一起，用以满足汽车行驶需要的多种传动比。多排行星齿轮机构一般布置形式两排行星齿轮机构共用一个太阳轮——辛普森式行星齿轮机构。有两个太阳轮，两排行星齿轮共用一个齿圈——拉威娜式行星齿轮机构。有些附加一套单排行星齿轮机构实现超速档辛普森行星齿轮系统辛普森式行星齿轮机构由4个独立的元件组成：前齿圈、前后太阳轮组件、后行星架、前行星架和后齿圈组件辛普森式行星齿轮机构是双排行星齿轮机构，它由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成，能提供三个前进挡和一个倒挡。前面可以加一排超速行星齿轮机构

1-前齿圈；2-前行星轮；3-前行星架和后齿圈组件4-前后太阳轮组件；5-后行星轮；6-后行星架辛普森式行星齿轮机构示意图辛普森式行星齿轮机构实物结构辛普森式行星齿轮系统1-第一轴；2-前行星排；3-二挡制动器；4-低、倒挡制动器；5-单向离合器；6-第二轴；7-后行星排；8-前进离合器；9-直接挡离合器辛普森式行星齿轮系统各挡位状态下五个执行元件的工作情况如表。辛普森式行星齿轮系统

1)前进1档（D位1档）一挡时，前进离合器C2结合，使输入轴和前齿圈连接，同时单向离合器F处于自锁状态，后行星架被固定，如图。来自发动机的动力经输入轴、前进离合器C2传给前齿圈，使前齿圈朝顺时针方向转动。在1档时，前后两行星排都参加动力传递，与发动机输出转速相比，经变速器以后转速下降、转矩增加，汽车能以较大的牵引力克服行驶阻力低速前进。n11+α1n12―(α1+1)n13＝0

（前排）n21+α2n22―(α2+1)n23＝0(后排)式中：n23=0;

n11=n21;

n13=n22经整理得:i=n12／n13=(1+α1+α2)／α1

1挡传动比的计算：辛普森式行星齿轮系统

2)前进2档（D位2档）当前进离合器C2和二挡制动器B1同时工作时，行星齿轮变速器处于二挡。此时输入轴经前进离合器C2和前齿圈连接，同时太阳轮组件被二挡制动器B1固定。发动机动力经液力变矩器和输入轴传给后排齿圈，使之朝顺时针方向转动。在二挡状态下，汽车滑行时驱动轮的反向驱动力可经过行星齿轮变速器传至发动机，即具有发动机制动作用。n11+α1n12―(α1+1)n13＝0(前排)n21+α2n22―(α2+1)n23＝0(后排)式中：

n11=n21=0;n13=n22经整理得:i=n12／n13=(1+α1)／α1

2挡传动比的计算：辛普森式行星齿轮系统

3)前进3档（D位3档）当行星齿轮变速器处于三挡时，前进离合器C2和直接挡离合器C1同时接合，把输入轴与前齿圈及太阳轮组件连接为一个整体。行星齿轮变速器在三挡位具有反向传递动力的能力，在汽车滑行时能实现发动机制动。辛普森式行星齿轮系统

4)手动1档（1位或L位）为了利用发动机制动，可将变速器操纵手柄从“D”位移至“1”位，即手动1档。自动变速器在手动1档时能产生发动机制动作用，如图。C2，B2起作用辛普森式行星齿轮系统

5)倒档（R位）倒挡时，直接挡离合器C1接合，使输入轴与前、后太阳轮组件连接，同时低、倒挡制动器B2产生制动，将后行星架固定。此时发动机动力经输入轴传给太阳轮组件，使太阳轮朝顺时针方向转动。由于后行星架固定不动，因此在后行星排中，后行星轮在后太阳轮的驱动下朝逆时针方向转动，并带动后齿圈朝逆时针方向转动，如图。A341E行星齿轮变速机构

如图所示:A341辛普森式自动变速器的结构和工作原理如图：

如图所示:1、三排四档应用三个单行星轮行星排，超速排、前、后之分，太阳轮共用，前行星架和后齿圈一体，两排有四个独立的元件。2、四个制动器、三个离合器、三个单向离合器组成一个四速自动变速器。其中有十个执行元件如下：其中：三个多片湿式离合器、、三个多片湿式制动器、、一个带式制动器两个单向离合器、一个超越离合器增加了一个超速排、辛普森双排行星轮上增加了B2，F1超速排超速排传动分析超速排传动分析输入元件：行星架输出元件：齿圈约束元件：太阳轮约束方法：与变速器壳体（超速）B0与行星架（直接档）C0或F0超速排：C0,F0的作用若在D1档直接使用C0，在直接档升超速档时，液压控制系统需要完成：C0的泄油，B0的增压，这样会引起：1.C0已经完全释放，而B0还没有完全结合，动力传递中断，车辆出现空档现象；2.B0已经结合，而C0还没有释放，变速器乱档，车辆出现强烈的发动机制动现象。有了F0，直接档升超速档时，液压控制系统可以让C0相对于B0提前或快速释放，在B0还没有结合前，F0还保持着直接档的工作状态，等B0结合时（F0释放），变速器完成了换档，改善了换档品质。若只有F0，没有C0会如何？辛普森行星齿轮变速器换档执行元件

超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈结构B0：超速挡制动器F0：超速挡单向离合器C0：超速挡离合器B1：Ⅱ挡滑行制动器F1：Ⅱ挡单向离合器C1：前进挡离合器B2：Ⅱ挡制动器F2：低挡单向离合器C2：高挡及倒挡离合器B3：低挡及倒挡制动器C0：超速档离合器，可使动力从超速行星架传给太阳轮C1：前进档离合器，可使动力由中间轴传给前齿圈，在所有前进档都工作C2：高档、倒档离合器，可使动力由中间轴传给前后太阳轮，在高速档和倒档工作；B0：超速档制动器，制动超速行星机构的太阳轮，只有超速档时工作；B1：2档滑行制动器，制动前后太阳轮自22档时工作；B2（F1）：2档制动器，锁止F1的外圈，在D2、D3、OD、22均工作。B3：低、倒档制动器，锁止后排行星齿轮架，在R、L档工作；F0：超速单向离合器，防止太阳轮超过行星架，除P、R、OD均工作；F1：与B2一起，阻止太阳轮逆时针转，在D2、

22工作；F2：阻止后行架逆时针转动，在D1时工作。执行元件认识3个离合器、4个制动器和3个单向离合器共10个。自动变速器换挡手柄有六个位置：P、R、N、D、2、L。（1）换挡手柄位于“D”位时D位1挡：C0、

F0、C1、F2工作，变速器处于D位1挡。超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈D位1挡：C0、

F0、

C1、F2工作，变速器处于D位1挡。

Ｄ位１挡时，离合器Ｃ1和单向离合器Ｆ2工作。输入轴通过离合器Ｃ1带动前齿圈顺时针转动，因前行星架和后齿圈与输出轴相连在汽车起步前转速为０（起步后转速也为一个确定的低值），所以前行星轮在前齿圈的驱动下一方面朝顺时针方向作公转，带动前行星架朝顺时针方向转动，另一方面作顺时针方向的自转，并带动前、后太阳轮组件朝逆时针方向转动。

在后行星排中，由于和输出轴连接的后齿圈转速很低，后行星轮在后太阳轮驱动下朝顺时针方向作自转时，对后行星架产生一个逆时针方向的力矩，而单向离合器Ｆ2对后行星架在逆转时具有锁止作用，因此后行星架固定不动，使后齿圈在后行星轮的驱动下朝顺时针方向转动（图2－24）。由此可知，Ｄ位１挡时，由输入轴传入的动力经前后行星排同时输出，其目的是防止在传递大的扭矩时单排传力而出现过载损坏。

当汽车在Ｄ位１挡工作时，若驾驶员突然松开油门踏板，发动机转速将立即降至怠速。汽车在惯性作用下仍以原车速前进，驱动车轮将通过自动变速器输出轴反向带动行星齿轮变速器运转，行星齿轮机构的前行星架和后齿圈组件成为主动件，前齿圈为从动件。当前行星架朝顺时针方向带动前行星轮转动时，由于前齿圈转速较低，前行星轮在顺时针公转的同时也朝逆时针方向作自转，从而带动前、后太阳轮组件以较高的转速顺时针转动，导致后太阳轮和后齿齿圈同时以较高的转速朝顺时针方向带动后行星齿轮转动，使后行星轮在自转的同时对后行星架产生一个顺时针方向的力矩。单向离合器Ｆ2对后行星架无顺时针旋转锁止作用，后行星架在后行星轮的带动下顺时针自由转动。此时，行星齿轮机构的四个独立元件中有两个处于自由状态，失去传力作用。来自变速器输出轴的反向力无法经行星齿轮变速器传给输入轴，即在下坡时无法利用发动机的怠速运转阻力来实现汽车的减速，称为无发动机制动。此时汽车相当于作空挡滑行。为使装有自动变速器的汽车也能实现发动机制动，必须让它的１挡有两种不同的状态，即有发动机制动和无发动机两种。这两种状态的选择通常通过改变操纵手柄的位置来实现。操纵手柄位于Ｄ位时，１挡无发动机制动，而Ｌ位（或１位）时有发动机制动。

超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈D位2挡：C0、

F0、

C1、B2、F1工作，变速器处于D位2挡。D位2挡：

C0、F0、C1、B2、F1工作，变速器处于D位2挡。超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈D位3挡：C0、

F0、

C1、C2工作，变速器处于D位3挡。D位3挡：C0、

F0、

C1、C2工作，变速器处于D位3挡。超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈D位4挡：B0、

C1、C2工作，变速器处于D位4挡。D位4挡：B0、

C1、C2工作，变速器处于D位4挡。（2）换挡手柄位于“2”位时2位1挡：C0、

F0、C1、F2工作，变速器处于2位1挡。2位2挡：C0、

F0、

C1、B1、B2、F1工作，变速器处于2位2挡。（3）换挡手柄位于“L”位时变速器只能接通1挡。C0、F0、C1、B3、F2工作（4）换挡手柄位于“R”位时

C0、F0、C2、B3工作，变速器处于倒挡。超速挡行星架前行星架后行星架中间轴输入轴输出轴超速挡太阳轮超速挡齿圈前行星齿圈太阳轮后行星齿圈（5）换挡手柄位于“N”或“P”位时C0工作，C2、C1都不工作，变速器处于空挡或驻车挡。停车档：B3工作由于C1或C2没有接合变速器处于空档状态，动力无法传递。机械式锁止机构：当变速杆处于P档位置时，停车联锁凸轮使停车爪上的凸起与联锁结构结合，以防止车辆移动。单向离合器的作用——避免换档冲击

单向离合器功能分析（以D2、D3档之间切换为例）在不考虑超速档的情况下D2档工作元件为：C1、B2、F1D3档工作元件为：C1、C2、B2但从档位传动分析看，F1可以不要。单向离合器功能分析D2档不使用F1直接用B2连接壳体和太阳轮，同样可以满足提供2档传动比的要求。单向离合器功能分析D3档在直接档档位分析时根本未涉及B2。但B2工作不影响D3档传动。单向离合器功能分析D2档与D3档之间的切换：升档过程：C2充油，B2泄油。B2泄油快，C2充油慢，会如何？B2泄油慢，C2充油快，会如何？单向离合器功能分析如果没有F1，D3时B2不工作，升/降档过程则要求：

C2充油，B2泻油/C2泄油，B2充油泄油快，充油慢：有一段时间B2、C2都不起作用，使变速器进入一档，引起严重的换档冲击。泄油慢，充油快：有一段时间B2、C2同时起作用，变速器出现类似手动变速器同时挂两档的运动干涉，使执行元件打滑，引起过度磨损。如何解决这种速度差带来的问题？单向离合器功能分析增加F1，在两种档位时都使B2工作，D2档与D3档之间的切换时只控制C2，即不过空档也不出现换档冲击。D2与D1档切换过程由F1和F2满足不冲击的要求。思考题1.A341自动变速器F2装反时汽车的故障现象？2.A341自动变速器2档单向离合器F1装反时汽车的故障现象？3.A341自动变速器无法升D2档的故障现象及可能的原因？拉维娜行星齿轮系统结构特点：两星星排共用行星架和齿圈，小太阳轮、短行星轮、长行星轮、行星架及齿圈组成一个双行星轮式行星排。四个独立元件：小太阳轮、大太阳轮、行星架和齿圈。

拉维娜式齿轮机构有一些胜过辛普森式齿轮机构的优点。主要是结构紧凑，由于相互啮合的齿数较多，因此传递的扭矩较大。缺点是结构较复杂。在三菱、现代、帕萨特B5、奥迪A6上广泛应用。拉维娜行星齿轮系统

典型的三挡拉维娜行星齿轮系统采用双行星排组合，其结构特点是：两行星排共用行星架和齿圈，小太阳轮1、短行星轮4、长行星轮5、行星架3及齿圈6组成一个双行星轮式行星排，大太阳轮2、长行星轮5、行星架3及齿圈6组成一个单行星排，如图所示。

拉维娜行星齿轮系统如图所示，在三挡拉维娜式行星齿轮机构中设置五个换挡执行元件（2个离合器、2个制动器和1个单向离合器），使之成为一个具有3个前进挡和1个倒挡的行星齿轮变速器。各执行元件的作用是：前进离合器用于连接输入轴和小太阳轮，直接挡离合器用于连接输入轴和大太阳轮，2挡制动器用于固定大太阳轮，低、倒挡制动器起固定行星架的作用，单向离合器对行星架逆时针方向旋转有锁止作用。执行元件工作情况如表。拉维娜行星齿轮系统2.拉维娜行星齿轮系统各挡传递路线为：

(1)D位1挡：单向离合器锁止行星架，使其无法逆时针旋转，前进离合器接合，小太阳轮成为输入元件。动力传递路线是第一轴、小太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮、齿圈。

(2)D位2挡：前进离合器接合，二挡制动器将大太阳轮固定。动力传递路线是第一轴、小太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮、齿圈。

(3)D位3挡：前进离合器和直接挡离合器参与工作，大、小太阳轮被锁成一体，长、短行星齿轮同方向旋转，由于这两套行星齿轮处于常啮合状态而无法旋转，于是整个行星齿轮系统被联锁成一体，以直接挡传递动力。

(4)R位：直接挡离合器工作，大太阳轮成为输入元件，低、倒挡制动器将行星架固定。动力传递路线是大太阳轮、长行星齿轮、齿圈，小太阳轮和短行星齿轮空转。大众096（01M）型变速机构拉维娜行星齿轮传动分析D1——C1、F2位1——C1、FD2——C1、B22位2——C1、B2D3——C1、K31位1——C1、B1D4——C3、B2R——C2、B13位1——C1、F3位2——C1、B23位3——C1、K3各挡传递路线为：（1）D位1挡第一轴、小太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮、齿圈。（2）D位2挡第一轴、小太阳轮、短行星齿轮、长行星齿轮、齿圈。（3）D位3挡大、小太阳轮被锁成一体，长短行星齿轮同方向旋转，整个行星齿轮系统被联锁成一体，以直接挡传递动力。（4）

D位4挡

B1制动大太阳轮和C3结合

（5）R位大太阳轮、长行星齿轮、齿圈。拉维娜式行星齿轮机构结构原理图B2—2、4档制动器：制动大太阳轮K2—倒档离合器：连接涡轮轴与大太阳轮K1—前进离合器：连接涡轮轴与小太阳轮F0—单向离合器：限制行星架逆时针方向转动K3—高档离合器：连接泵轮轴与行星架B1—低、倒档制动器：制动行星架涡轮轴泵轮轴2/3/202369拉维娜式各档的传动分析一、D1档

1.传动路线：涡轮→输入轴→离合器K1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮，此时F0作用限制行星轮架逆转→齿圈→输出齿轮。2/3/202370拉维娜式各档的传动分析

2.传动比

∵行星架固定（F0作用使其没有逆转而被固定），只有后排工作。

∴

∴∴

式中原理图拉维娜式各档的传动分析

二、D2档

1.传动路线：输入轴→离合器K1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮，此时B2工作大太阳轮制动。动力从齿圈→输出齿轮。拉维娜式各档的传动分析

2.传动比∵大太阳轮固定∴∴

∴拉维娜式各档的传动分析1、传动路线：涡轮轴→离合器K1→小太阳轮顺转→短、长行星轮泵轮轴→离合器K3→行星架顺转→长行星轮齿圈顺转输出齿轮。｝三、D3档拉维娜式各档的传动分析

2.传动比∵K1K3同时工作，使得两太阳轮成一体，长短行星轮成一体，因此两排成一体。∴拉维娜式各档的传动分析四、D4档

1、传动路线：泵轮轴→离合器K3→行星架→长行星轮，由于B2工作，使得大太阳轮固定，动力从齿圈→输出齿轮。拉维娜式各档的传动分析

2、传动比

∵B2作用，则有

又∵

∴

∴拉维娜式各档的传动分析五、L

档

1.传动路线：涡轮轴→离合器K1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮，此时制动B1工作，制动行星架→齿圈→输出齿轮。拉维娜式各档的传动分析

2.传动比

L位一档与D1档的传动比相同，前者有发动机制动（B1作用），而后者没有发动机制动。传动比拉维娜式各档的传动分析六、R档

1.传动路线：涡轮轴→离合器K2→

大太阳轮→长行星轮，由于B1作用，制动行星架。动力从长行星轮→齿圈→输出齿轮。2、传动比∵B1作用制动了行星架，只有前排工作

∴

∴

拉维娜式各档的传动分析原理图2/3/202381拉维娜式结构原理示意图2/3/202382U341E（辛普森II）行星齿轮传动分析D1——C1、F2D2——C1、B2、F1D3——C1、C2、B2D4——C2、B1、B2Z1——C1、F2Z2——C1、B1、B2、FL1——C1、B3、F2R——C3、B3U341E（辛普森II）（1）1挡动力传递路线分析换挡手柄处于“D”、“3”或“2”位时，1挡时工作的换挡执行元件有C1、F2，动力传递路线如图所示。动力传递发生在前行星齿轮机构，F2阻止前齿圈逆时针转动，动力由输入轴→C1→前太阳轮→前行星齿轮→前行星架→中间轴主、从动齿轮→输出。此时，由于后排行星齿轮组没有元件被制动锁止，因此处于空转状态。轿车在滑行时，前行星架转速高(连驱动轮)，前太阳轮转速低(连发动机)，使前齿圈被带动加速顺着前行星架(前太阳轮)旋转方向转动，由于单向离合器F2不阻止前齿圈顺着前行星架旋转方向转动，整个行星齿轮机构不能反向动力传递，无发动机制动效果。为了实现变速器1挡的发动机制动效果，在L位1挡，除了上述1挡换挡执行元件工作外，还增加了B3工作，使得车辆在滑行时具有发动机制动效果。（2）2挡动力传递路线分析换挡手柄处于“D”或“3”位时，2挡时工作的换挡执行元件有C1、B2和F1，动力传递路线如图